PLC通訊簡(jiǎn)介

 二、通信方法的含義

網(wǎng)絡(luò )是由幾級子網(wǎng)復合而成，每級子網(wǎng)中都配置不同的協(xié)議，其中大部分是各公司的專(zhuān)用通信協(xié)議。

各級子網(wǎng)的通信過(guò)程是由通信協(xié)議決定的，從根本上講，要搞清楚某級子網(wǎng)的通信就必須徹底剖析它采用的通信協(xié)議，這個(gè)工作量很大，更何況大多數又都是各個(gè)公司的專(zhuān)用協(xié)議，繁瑣的協(xié)議規定常會(huì )掩蓋問(wèn)題的本質(zhì)，通常會(huì )遇到這樣的情況：兩個(gè)公司的兩種專(zhuān)用協(xié)議，從協(xié)議的規定、幀格式等表面現象看可能有明

網(wǎng)絡(luò )的各級子網(wǎng)無(wú)論采用總線(xiàn)結構、還是環(huán)形結構，他的通信介質(zhì)是共享資源。掛在共享介質(zhì)上的各站要想通信，首先要解決共享通信介質(zhì)使用權的分配問(wèn)題，這就是常說(shuō)的存取控制或稱(chēng)訪(fǎng)問(wèn)控制。

一個(gè)站取得了通信介質(zhì)使用權，并不等用完成了通信過(guò)程，還有怎樣傳送數據的問(wèn)題，這就是常說(shuō)的數據傳送方式，比如說(shuō)采用的數據傳送方式是否先建立一種邏輯連接，然后再傳送？所采用的數據傳送方式發(fā)給對方的數據是否要對方應答？發(fā)出去的數據是由一個(gè)站收，或者多個(gè)站收，還是全體接收？諸如此類(lèi)就是所謂的數據傳送方式。

這里所謂的通信方法就是存取控制方式＋數據傳送方式。本來(lái)存取控制方式與數據傳送方式都是通信協(xié)議有關(guān)層次的內容，這里專(zhuān)門(mén)把他們抽出來(lái)加以介紹。是因為用它們來(lái)描述一種通信過(guò)程與人們意念上有關(guān)的概念非常接近。對于局域網(wǎng)來(lái)說(shuō)，存取控制方式與數據傳送方式是其通信協(xié)議最核心的內容。

三、工業(yè)局域網(wǎng)實(shí)時(shí)性的含義

工業(yè)局域網(wǎng)對實(shí)時(shí)性是有要求的，各級子網(wǎng)對實(shí)時(shí)性的的要求不同，通常越靠底層的子網(wǎng)對實(shí)時(shí)性要求越高，越靠近上層的子網(wǎng)對實(shí)時(shí)性的要求越低。

實(shí)時(shí)性通常采用響應時(shí)間來(lái)定量描述。響應時(shí)間是指某一系統對輸入作出響應所需的時(shí)間，以ms、s、min，h為計量單位。響應時(shí)間很短，就標志著(zhù)系統的實(shí)時(shí)性越好。

PLC網(wǎng)絡(luò )中，各站通過(guò)通信子網(wǎng)互聯(lián)在一起，當某站對子網(wǎng)請求通信時(shí)，他對響應是時(shí)間是有要求的，不同站對實(shí)時(shí)性的要求可能不同，同一站不同通信任務(wù)對實(shí)時(shí)性的要求也可能不同。一項通信任務(wù)的實(shí)時(shí)性得到滿(mǎn)足是指其響應時(shí)間小于規定的時(shí)限；一個(gè)站的實(shí)時(shí)性合乎要求是指該站提出的所有通信任務(wù)在指定的時(shí)限內都能獲得響應。整個(gè)通信子網(wǎng)的實(shí)時(shí)性符合要求是指分布在子網(wǎng)上每一個(gè)站的每項通信任務(wù)的實(shí)時(shí)性均得到保證。

要保證PLC網(wǎng)絡(luò )的實(shí)時(shí)性必須滿(mǎn)足下列三個(gè)時(shí)間約束條件：

1、必須限定每個(gè)站每次取得通信權的時(shí)間上限制，以防止某一站長(cháng)時(shí)間霸占子網(wǎng)而導致其他各站實(shí)時(shí)性惡化。

2、應當保證在某一固定的時(shí)間周期內，通信子網(wǎng)上的每個(gè)站都有機會(huì )取得通信權，這將為每個(gè)站提供基本實(shí)時(shí)性。

3、對于重要的站可優(yōu)先服務(wù)，對某項緊急通信任務(wù)應當給予優(yōu)先處理，應當可以用靜態(tài)（固定）的方式賦予某站以較高的優(yōu)先權，應當可以用動(dòng)態(tài)（臨時(shí)）方式賦予某些緊急任務(wù)以較高的優(yōu)先權。

PLC網(wǎng)絡(luò )的實(shí)時(shí)性首先是由它所選用的存取控制方式來(lái)保證的。此外提高實(shí)時(shí)性還可以通過(guò)減少通信協(xié)議的層數來(lái)實(shí)現，一般靠近底層的子網(wǎng)采用只包含3層通信協(xié)議的他塌縮結構。這正是為了提高實(shí)時(shí)性。另外選擇適當的數據傳送方式對于提高實(shí)時(shí)性有明顯的效果，發(fā)送數據要求對方答應，比無(wú)應答服務(wù)慢的多，要求連接又要有應答的服務(wù)則更慢，而廣播式通信最快。當然不能只考慮實(shí)時(shí)性，還要考慮可靠性。

四、周期I/O方式

可編程控制器的遠程I/O鏈路就是一種PLC控制網(wǎng)絡(luò )，在遠程I/O鏈路中采用“周期I/O方式”交換數據。遠程I/O鏈路按主從方式工作，可編程控制器帶的遠程I/O主單元在遠程I/O鏈路中擔任主站，其他遠程I/O單元皆為從站。在主站中設立一個(gè)“遠程I/O緩沖區”，采用信箱結構，劃分為n個(gè)分箱與每一個(gè)從站一一對應，每個(gè)分箱再分為兩格，一格管發(fā)送，一個(gè)管接收。主站中負責通信的處理器采用周期掃描方式，按順序與各從站交換數據，把與其對應的分箱中發(fā)送分格的數據送給從站，從從站中讀取數據存入與其對應的分箱的接收分格中，這樣周而復始，是主站中的“遠程I/O緩沖區”得到周期性的刷新。 在主站中PLC的CPU單元負責用戶(hù)程序的掃描，它按照循環(huán)掃描方式進(jìn)行掃描處理，每個(gè)周期都有一段集中進(jìn)行I/O處理，這時(shí)它對本地I/O單元及遠程I/O緩沖區進(jìn)行讀寫(xiě)操作。PLC的CPU單元對用戶(hù)程序的周期性循環(huán)掃描，與PLC負責通信的處理器對各遠程I/O單元的周期性?huà)呙枋钱惒竭M(jìn)行的。

盡管PLC的CPU單元沒(méi)有直接對遠程I/O單元進(jìn)行操作，但是由于遠程I/O緩沖區獲得周期性刷新，PLC的CPU單元對遠程I/O緩沖區的讀寫(xiě)操作，就相當于直接訪(fǎng)問(wèn)了遠程I/O單元。

主站中負責通信的處理器采用周期掃描方式與各從站交換數據，使主站中“遠程I/O緩沖區”得到周期性刷新，這樣一種通信方式既涉及到周期又涉及到I/O，因而被稱(chēng)為“周期I/O方式”，這種通信方式要占用PLC的I/O區，因
此只適用于少量

五、全局I/O方式

全局I/O方式是一種串行共享存儲區通信方式主要用于帶有鏈接區的PLC之間的通信。

全局I/O方式的通信原理如圖1所示。在PLC網(wǎng)絡(luò )的每臺PLC的I/O區中各劃出一塊來(lái)作為鏈接區，每一個(gè)鏈接區采用如圖1所示的郵箱結構。相同編號的發(fā)送區與接收區大小相同，占用相同的地址段，一個(gè)為發(fā)送區，其它皆為接收區。采用廣播方式通信。PLC1把1發(fā)送區的數據在PLC網(wǎng)絡(luò )上廣播，PLC2,PLC3接收到后把它接收下來(lái)存入各自的1接收區中，PLC2把2#發(fā)送區的數據在PLC網(wǎng)絡(luò )上廣播，PLC1,PLC3接收到后把它接收下來(lái)存入各自的2#接收區中， PLC3把3#發(fā)送區數據在PLC網(wǎng)上廣播，PLC1,PLC2把它接收下來(lái)存入各自的3#接收區中。顯然通過(guò)上述廣播通信過(guò)程， PLC1， PLC2， PLC3的各鏈接區中數據是相同的，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為等值變化過(guò)程，通過(guò)等值化通信使得PLC網(wǎng)絡(luò )中的每臺PLC鏈接區中的數據保持一致。它既包含著(zhù)自己送出去的數據，也包含著(zhù)其它PLC送來(lái)的數據。由于每臺PLC鏈接區大小一樣，占用的地址段相同，每臺PLC只要訪(fǎng)問(wèn)自己的鏈接區，就等于訪(fǎng)問(wèn)了其它PLC的鏈接區，也就相當與其他PLC交換了數據。這樣鏈接區就變成了名副其實(shí)的共享存儲，共享區成為各PLC交換數據的中介。
 
當然這里的共享存儲區與并行總線(xiàn)的共享存儲區在結構上有些差別，它把物理上分布在各站的鏈接區，通過(guò)等值化通信使其好像重疊在一起，在邏輯上變成一個(gè)存儲區，大小與一個(gè)鏈接區一樣，這種共享存儲區稱(chēng)為串行共享存儲區。

鏈接區可以采用異步方式刷新（等值化），也可以采用同步方式刷新。異步方式刷新與PLC中用戶(hù)程序無(wú)關(guān)，由各PLC所帶的通信處理器按順序進(jìn)行廣播通信，周而復始，使其所有鏈接區保持等值化，同步方式刷新是由用戶(hù)程序中對鏈接區的發(fā)送指令啟動(dòng)一次刷新，這種方式只有當鏈接區的發(fā)送數據變化時(shí)才刷新（等值化），這樣事半功倍。

全局I/O方式中的鏈接區是從PLC的I/O區劃分出來(lái)的，經(jīng)過(guò)等值化通信變成所有PLC共享（全局共享）,因此稱(chēng)為 “全局I/O方式”。這種方式下PLC直接用讀寫(xiě)指令對鏈接區進(jìn)行讀寫(xiě)操作，簡(jiǎn)單、方便、快速，但應注意在一臺PLC中對某地址的寫(xiě)操作在其他PLC中對同一地址只能進(jìn)行讀操作。與周期I/O方式一樣，全局I/O方式也要占用PLC的I/O區，因而這適用于少量數據的通信。

六、主從總線(xiàn)1:N通信方式

主從總線(xiàn)通信方式又稱(chēng)為1:N通信方式，這是在PLC通信網(wǎng)絡(luò )上采用的一種通信方式。在總線(xiàn)結構的PLC子網(wǎng)上有N個(gè)站，其中只有一個(gè)主站，其他皆是從站，也就是因為這個(gè)原因主從總線(xiàn)通信方式又稱(chēng)為1:N通信方式。

主從總線(xiàn)通信方式采用集中式存取控制技術(shù)分配總線(xiàn)使用權，通常采用輪詢(xún)表法，所謂輪詢(xún)表是一張從機號排列順序表，該表配置在主站中，主站按照輪詢(xún)表的排列順序對從站進(jìn)行詢(xún)問(wèn)，看它是否使用總線(xiàn)，從而達到分配總線(xiàn)使用權的目的。

為了保證實(shí)時(shí)性，要求輪詢(xún)表包含每個(gè)從站號不能少于一次，這樣在周期輪詢(xún)時(shí)，每個(gè)從站在一個(gè)周期中至少有一次機會(huì )取得總線(xiàn)使用權，從而保證了每個(gè)站的基本實(shí)時(shí)性，對于實(shí)時(shí)性要求比較高的站，可以在輪詢(xún)表中讓其從機號多現幾次，這樣就用靜態(tài)的方式，賦予該站較高的通信優(yōu)先權。在有些主從總線(xiàn)中輪詢(xún)表法與中斷法結合使用，讓緊急任務(wù)可以打斷正常的周期輪詢(xún)而插入，獲得優(yōu)先服務(wù)，這就是用動(dòng)態(tài)賦予某項緊急任務(wù)以較高優(yōu)先權。 存取控制只解決了誰(shuí)使用總線(xiàn)的問(wèn)題，獲得總線(xiàn)的從站還有如何使用總線(xiàn)的問(wèn)題，即采用什么樣的數據傳送方式。主從總線(xiàn)通信方式中有兩種基本的數據傳送方式，一種是只允許主從通信，不允許從從通信，從站與從站要交換數據，必須經(jīng)主站中轉。另一種是既允許主從通信也允許從從通信，從站獲得總線(xiàn)使用權后安排主從通信，再安排自己與其他從站（即從從）之間的通信。

六、令牌總線(xiàn)N:N通信方式

令牌總線(xiàn)通信方式又稱(chēng)為N:N通信方式。在總線(xiàn)結構上的PLC子網(wǎng)上有N個(gè)站，它們地位平等沒(méi)有主站與從站之分，也可以說(shuō)N個(gè)站都是主站，所以稱(chēng)之為N:N通信方式。

N:N通信方式采用令牌總線(xiàn)存取控制技術(shù)。在物理總線(xiàn)上組成一個(gè)邏輯環(huán)，讓一個(gè)令牌在邏輯環(huán)中按一定方向依次流動(dòng)，獲得令牌的站就取得了總線(xiàn)使用權，令牌總線(xiàn)存取控制方式限定每個(gè)站的令牌有時(shí)間，保證在令牌循環(huán)一周時(shí)每個(gè)站都有機會(huì )獲得總線(xiàn)使用權，并提供優(yōu)先級服務(wù)，因此令牌總線(xiàn)存取控制方式具有較好的實(shí)時(shí)性。

取得令牌的站采用什么樣的數據傳送數據方式對實(shí)時(shí)性影響非常明顯。如果采用無(wú)?應答數據傳送方式，取得令牌的站可以立即向目的站發(fā)送數據，發(fā)送結束，通信過(guò)程也就完成了。如果采用有應答數據傳送方式，取得令牌的站向目的站發(fā)送完數據后并不算通信完成，必須等目的站獲得令牌并把答應幀發(fā)給發(fā)送站后，整個(gè)通信過(guò)程結束。這樣一來(lái)響應明顯增長(cháng)，而使實(shí)時(shí)性下降。有些令牌總線(xiàn)型PLC網(wǎng)絡(luò )的數據傳送方式固定為一種，有些則可由用戶(hù)選擇。

七、浮動(dòng)主站N:M通信方式

浮動(dòng)主動(dòng)通信方式又稱(chēng)N：M通信方式，它適用與總線(xiàn)結構的PLC網(wǎng)絡(luò )。設在總線(xiàn)上有M個(gè)站，其中N個(gè)為主站，其余為從站（N<M），故稱(chēng)之為N：M通信方式。

N：M通信方式采用令牌總線(xiàn)與主從總線(xiàn)相結合的存取控制技術(shù)。首先把N個(gè)主站組成邏輯環(huán)，通過(guò)令牌在邏輯環(huán)中依次流動(dòng)，在N 個(gè)主站之間分配總線(xiàn)使用權，這就是浮動(dòng)主站的含義。獲得總線(xiàn)使用權的主站再按照主從方式來(lái)確定再自己的令牌持有時(shí)間內與哪些站通信。一般在主站中配置有一張輪詢(xún)表，可按輪詢(xún)表上排列的其它主站號及從站號進(jìn)行輪詢(xún)，獲得令牌的主站對于用戶(hù)隨機提出的通信任務(wù)可按優(yōu)先級安排在輪詢(xún)之前或之后進(jìn)行。

獲得總線(xiàn)使用的主站可以采用多種數據傳送方式與目的站通信，其中以無(wú)應答無(wú)連接方式速度最快。

八、CSMA/CD

CSMA/CD（carrier－sense multiple access with collision detection）通信方式是一種隨機通信方式，適用于總線(xiàn)結構的PLC網(wǎng)絡(luò )，總線(xiàn)上各站地位平等，沒(méi)有主從之分。采用CSMA/CD存取控制方式，該控制方式用通俗的語(yǔ)言描述為“先聽(tīng)后講，邊講邊聽(tīng)”。所謂先聽(tīng)后講是指要求使用總線(xiàn)的各站，在發(fā)送數據之前必須先監聽(tīng)，看看總線(xiàn)是否空閑，認總線(xiàn)空閑后再向總線(xiàn)發(fā)送數據?！跋嚷?tīng)后講”并不能完全避免沖突，如果仍發(fā)生了沖突，則不能等到差錯校驗時(shí)再發(fā)現，這樣對通信資源浪費太嚴重，而要采用“邊講邊聽(tīng)”。發(fā)送數據的站，一邊發(fā)送，一邊監聽(tīng)，若發(fā)現沖突，立即停止發(fā)送，并發(fā)出阻塞音，通知網(wǎng)上的其它站發(fā)生了沖突，然后沖突雙方采用取隨機數代入指數函數的退避算法來(lái)決定重新上網(wǎng)時(shí)間，解決沖突。

CSMA/CD存取控制方式不能保證在一定時(shí)間周期內，PLC網(wǎng)上每個(gè)站都可獲得總線(xiàn)使用權，也不能用靜態(tài)方式賦予某些站以較高優(yōu)先權，不能用動(dòng)態(tài)方式賦予某些緊急通信任務(wù)以較高優(yōu)先權，因此這是一種不能保證實(shí)時(shí)性的存取控制方式，但是它采用隨機方式，方法本身簡(jiǎn)單，而且見(jiàn)縫插針，只要總線(xiàn)空閑就搶著(zhù)上網(wǎng)，通信資源利用率高，因而在PLC網(wǎng)絡(luò )中CSMA/CD通信法適合用于上層生產(chǎn)管理子網(wǎng)。

CSMA/CD通信方式的數據傳送方式可以選用有連接、無(wú)連接、有應答、無(wú)應答及廣播通信中的每一種，這可按對通信速度及可靠性的要求取舍。

九、令牌環(huán)通信方式

有少量的PLC網(wǎng)絡(luò )采用環(huán)形拓撲結構，其存取控制采用令牌法，具有較好的實(shí)時(shí)性。圖1表示了令牌工作過(guò)程及其幀結構。
 

                                  （a）令牌環(huán)
 

　　　　　　　　　　　?。╞）幀結構
圖1 令牌環(huán)通信方式在圖1（a）中，令牌在物理環(huán)中按箭頭指向，一站接一站的傳送，獲得令牌的站才有權發(fā)送數據，設B站要向D站發(fā)送數據。當令牌傳送到B站時(shí),B站把令
牌變?yōu)闀和ＷC，然后把待發(fā)送數據按圖1（b）表示的格式加在暫停證后面從B站發(fā)送出去，最后再加上令牌一起發(fā)往C站。此幀信息經(jīng)C站中轉后到達D站，D站把自己的本站地址與幀格式中目的地址相比較，發(fā)現兩者相同，表明此幀信息事發(fā)給D站的，然后對此幀信息作差錯校驗，并把校驗結果以肯定應答或否定應答填在A(yíng)CK段中。同時(shí)把此幀信息復制下來(lái)，再把帶有應答的幀繼續向下傳送，經(jīng)A

在圖1（b）的幀格式的最后為一令牌，因而當某站獲得此令牌后也同樣可以發(fā)送數據，把此令牌變?yōu)闀和ＷC，后面帶上發(fā)送的幀最后再加上令牌，這時(shí)的幀格式就變成兩個(gè)暫停證、兩幀，再加令牌，其傳送過(guò)程與一幀相似，這里不再重復，從上述過(guò)程可見(jiàn)，令牌環(huán)通信方式采用的是有應答數據傳送方式。